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성과명땀으로 전기 만드는 스포츠 섬유 기반 연료전지 개발

Sustainable and high-power wearable glucose biofuel cell using long-term and high-speed flow in sportswear fabrics(Biosensors and Bioelectronics impact factor (IF: 10.257, 2019년 기준) )

지원 사업
국가간협력기반조성사업(한-프 협력기반조성)
지원 기관
과학기술정보통신부
연구 기관
서강대학교, 숙명여자대학교
연구자
왕총, 심의진, 박정열, 김혜림
발표일
2020-11-04
조회수
61

땀으로 전기 만드는 스포츠 섬유 기반 연료전지 개발


웨어러블 디바이스 구동을 위한 지속적·친환경적 전력공급 실마리



개요

서강대학교 기계공학과 박정열 교수, 숙명여자대학교 의류학과 김혜림 교수 공동연구팀이 땀 흡수와 건조가 빠른 스포츠 섬유소재를 기반으로 땀에 함유된 포도당을 전기에너지로 전환하는 방법을 개발했다.
과학기술정보통신부 국가간협력기반조성사업(한-프 협력기반조성)의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 Biosensors&Bioelectronics에 9월 24일 게재되었다.


연구 내용

글루코즈 산화효소(Glucose oxidase, GOD)가 코팅된 카본섬유를 산화 전극으로 Prussian Blue 나노입자와 Multi wall carbon nanotube가 기능화된 카본섬유를 환원 전극으로 활용하였으며, 모세관 유동과 증발에 의해 자동적으로 효율적인 연료(땀) 공급을 할 수 있도록 친수성/소수성 패턴에 의해 형상 제어된 스포츠 섬유 기반의 연료 공급 채널이 양 전극 사이에 집적화 되었다.
자발적 유동을 발생시킬 수 있는 종이 및 면소재와 비교하였을 때 스포츠 의류용 흡한속건 소재는 땀의 흡수 및 증발 속도가 탁월하여 빠르고 지속적으로 연료공급이 이루어져 결과적으로 더 오랜 시간 동안 높은 에너지 밀도(16.7μW/cm²)가 발생하였으며, 이는 비슷한 전극 구조를 갖는 연료전지 중에서 가장 높은 에너지 밀도를 보여준 사례이다.
같은 섬유 소재라도 편성 방식에 따라 성능 차이가 발생할 수 있으며 바람이 없는 것보다 사람이 가볍게 뛰는 정도의 속도(0.8 m/s)에 해당하는 바람이 불면, 에너지 발생효율이 더 높아짐을 보였다.
단일 바이오 연료전지를 전도성 실로 병렬-직렬 연결하여 다른 추가 적인 증폭회로 없이 전자 장치를 직접적으로 구동시킬 수 있는 에너지를 발생시킬 수 있었으며, 의복 및 밴드 형태로 제작하여 착용 후 운동하여 땀을 배출시켰을 때 전자시계를 작동시킬 수 있는 충분한 에너지가 발생됨을 시연하였다.


기대 효과

유연성과 착용성을 갖춘 섬유기반 연료전지 개발에 있어서 전극소재와 같은 재료적, 전기화학적 특성 뿐만 아니라 인체에서 발생한 땀을 빠르고 지속적으로 전달할 수 있는 유체역학적 제어가 성능에 결정적인 영향을 미친다는 것을 최초로 밝혔다.
모든 소재가 섬유 기반으로 제작되었기 때문에 전통적인 대량 생산성을 갖춘 섬유 제조 기술을 적용할 수도 있으며, 추후 의류, 양말 또는 속옷 등에 통합하여 땀, 눈물 또는 소변과 같은 체액을 연료 자원으로 활용하여 에너지를 생성할 수 있다